Теплозащитные свойства пристенных газожидкостных завес тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Шаров, Константин Александрович

• Шаров, Константин Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шаров, Константин Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 глава. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ЗАВЕС.

1.1. Обзор теоретических работ.

1.2. Обзор экспериментальных работ.

1.3. Выводы и постановка задач.

2 глава. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Измерительные схемы и аппаратура.

2.3. Оценка погрешности измерений.

2.4. Отладочные опыты и основные характеристики рабочего участка.

3 глава. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ В

ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ПРИСТЕННОЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ

ЗАВЕСЫ.

3.1. Исследование процессов осаждения жидкости на стенки вертикального цилиндрического канала.

3.1.1. Средняя толщина и волновые характеристики свободно стекающей плёнки жидкости.

3.1.2. Осаждение жидкости на стенки канала из пристенных газокапельных струй.

3.2. Тепловая и концентрационная структура пограничного слоя при наличии газожидкостной завесы.

3.2.1. Профили температур и концентраций двухфазного пограничного слоя в цилиндрическом канале.

4 глава. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ЗАВЕС.

4.1. Эффективность газожидкостной завесы в вертикальном цилиндрическом канале.

4.1.1. Эффективность газожидкостной завесы при переменном параметре вдува.

4.1.2. Влияние температуры основного потока на эффективность газожидкостных завес.

4.1.3. Влияние массовой концентрации парожидкостного компонента в пристенной струе на эффективность двухфазных завес.

4.1.4. Влияние на эффективность теплофизических свойств парожидкостного компонента.

4.2. Эффективность газожидкостной завесы в горизонтальном цилиндрическом канале.

4.2.1. Влияние концентрации жидкости во вторичном потоке.

4.2.2. Влияние температуры основного потока.

4.3. Анализ результатов экспериментального исследования газожидкостных завес.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплозащитные свойства пристенных газожидкостных завес»

Проблема защиты рабочих поверхностей энергетических установок от воздействия высокотемпературных и агрессивных потоков существует давно и ее решению посвящено большое число исследований. Данная задача не потеряла своей актуальности и в настоящее время, поскольку одним из возможных путей повышения кпд энергетических установок является увеличение температуры рабочего процесса.

В связи с этим для тепловой защиты теплонагруженных поверхностей широкое распространение получили пристенные охлаждающие струи [22, 26, 31, 34, 35,] (газовые завесы). Течение и тепломассообмен однофазных газовых завес изучено достаточно глубоко в работах [15, 26, 27, 34, 35, и др].

Эффективность тепловой защиты стенок можно повысить путем введения в поток газа, подаваемого на охлаждение мелкодисперсных капель жидкости. Это отмечается в экспериментальных работах опубликованных в конце 20"го века [16, 71], причем достаточно сильные эффекты достигаются при относительно малых (не более 5-10% по массе) содержаниях жидкой фазы в пристенной струе. При этом в газожидкостной завесе за счёт процесса испарения капель происходит снижение температуры газа в пристенном слое по сравнению со случаем подачи в пристенную струю только газовой (паровой) фазы.

В 80-х годах 20-го века был опубликован ряд работ [7-14, 36, 37] посвящённых теоретическому исследованию защитных свойств газожидкостных завес и созданию методов расчёта -их тепловой эффективности. В 2000-2002 годах появились работы [49, 50, 74] в которых проводится численное моделирование процессов тепломассообмена в пограничном слое при наличии газожидкостной завесы. С помощью численных расчётов исследуется влияние на защитные характеристики завес различных факторов.

Однако использование двухфазных завес в реальных технических устройствах сдерживается отсутствием достаточно полной экспериментальной информации, на основе которой могли бы быть созданы надёжные инженерные методы расчёта тепловой эффективности пристенных газокапельных струй. Особенно остро эта проблема стоит при описании структуры двухфазного слоя смешения и осаждения части жидкости на стенки.

Таким образом, целью настоящей работы является:

• Систематическое экспериментальное исследование эффективности газожидкостных завес и изучение влияния основных параметров струйного охлаждения — температуры основного потока, концентрации жидкой фазы, теплофизических свойств охладителя, интенсивности вдува, и других факторов. Х-- ,

• Исследование тепловой структуры пограничного слоя при наличии пристенной газопарожидкостной завесы, а также влияния процесса осаждения капель на характеристики плёночного течения.

• Анализ экспериментальных данных с целью определения параметров, влияющих на теплозащитные свойства двухфазных завес. """

Научная новизна состоит в следующем:

Проведено систематическое исследование эффективности пристенных газожидкостных завес в цилиндрическом канале за сплошной кольцевой щелью. Получены новые экспериментальные данные по влиянию на эффективность газожидкостных завес температуры основного потока. Впервые исследована тепловая структура пограничного слоя при наличии пристенных газокапельных струй и осаждение из них жидкости на стенки канала. Проведён анализ полученных экспериментальных данных и сравнение с известными теоретическими зависимостями и численными расчётами.

Автор выносит на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования тепловой структуры пограничного слоя при наличии пристенных газокапельных потоков, а также процессов осаждения из них жидкости на стенки канала с образованием течения плёнки и исследования динамики плёнок, сформированных из газокапельных струй в спутном потоке газа.

2. Опытные данные по исследованию эффективности охлаждения пристенных газожидкостных завес и влиянию на эффективность температуры основного потока, параметра вдува, массовой концентрации жидкости в пристенной струе, теплофизических свойств охладителя и ориентации канала.

3. Результаты анализа различных подходов к обобщению опытных данных, сравнение с результатами численных расчётов.

Результаты работы обсуждались на. семинарах отдела термогазодинамики, International Symposium on The Physics of Heat and Mass Transfer in Boiling and Condensattion. (1997, Moscow), V Международной и VI Всероссийской конференциях молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1998, 2000), 2~ Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998), 2-nd International Symposium on Two-Phase Modelling and Experiment (Pisa, 1999), 13— Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2001), 4th International Conference On Multiphase Flow (New Orleans, 2001), 18th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (Zaragosa, 2002), 3— Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002)

По теме диссертации опубликовано 13 работ в отечественной и зарубежной печати.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и выводов. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 67 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 76 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Шаров, Константин Александрович

ВЫВОДЫ.

1. Получены новые систематические экспериментальные данные по структуре пограничного слоя и эффективности пристенных газокапельных завес при вариации большого числа термогазодинамических параметров: концентрации жидкой фазы, температуры основного потока, параметра вдува, теплофизмческих свойств жидкости, ориентации канала.

2. Впервые установлено, что сильное влияние на значения эффективности оказывает процесс осаждения капель на стенку с образованием жидкой плёнки. Показано, что большая часть жидкой фазы осаждается в начальных сечениях канала, а увеличение скорости спутного потока приводит к усилению волнообразования на поверхности образуемой плёнки жидкости.

3. Экспериментально показано, что увеличение температуры основного потока вызывает снижение эффективности газожидкостьных завес, а неравновесные испарительные процессы приводят к эффекту "захолаживания", в результате чего величина эффективности превышает единицу на достаточно протяжённом участке завесы.

4. В исследованном, диапазоне параметров вдува (0,6 < ш < 1,8) и концентраций жидкой фазы (1,6% < Кж < 10%) их изменение оказывает слабое влияние на процессы охлаждения. Использование жидкостей с меньшей температурой кипения (этанола) приводит к улучшению защитных свойств на начальных участках течения; затем вследствие более интенсивных испарительных процессов, происходит резкое падение эффективности, сопоставимой с однофазным режимом течения.

5. Показано, что ориентация канала оказывает существенное влияние на распределение параметра эффективности за счёт гравитационных сил, действующих на плёнку жидкости. При горизонтальном расположении канала максимум эффективности достигался в нижней части канала, наименьшее значение - на его боковой части.

142

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шаров, Константин Александрович, 2004 год

1. Алексеенко C.B., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Волновое течение плёнок жидкости. - Новосибирск: Наука, 1992. - 256 с.

2. Алексеенко C.B., Назаров А.Д., Павленко А.Н., Серов А.Ф., Чехович В.Ю. Течение плёнки криогенной жидкости по вертикальной поверхности // Теплофизика и аэромеханика. 1997. - 4. - № 3. - с. 307-317.

3. Алипченков В.М., Зайчик Л.И., Мелихов О.И. Моделирование дисперсно-кольцевых газожидкостных потоков в вертикальных каналах // Теплоэнергетика. 2001. - № 3. — с. 9.

4. Берлинер М.А. Измерения влажности. / Издание второе, переработанное. — М.: Энергия, 1973. 399 с.

5. Беспалов Д.П., Козлов В.Н., Матвеев Л.Т. Психрометрические таблицы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 120 с.

6. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Конвективный тепломассообмен при испарении жидкости в газовый поток // Изв. СО АН СССР. Сер. Техн. наук. 1985. - Вып. 3. - № 16. - с. 13.

7. Васильев A.A., Репухов В.М. К расчёту двухфазной тепловой завесы на адиабатной стенке // Пром. Теплотехника. 1981. - 3. - № 6. - с. 12-19.

8. Васильев A.A., Котко П.Г., Репухов В.М. Расчёт двухфазной тепловой завесы на адиабатной стенке при существенно переменных теплофизических свойствах // Пром. Теплотехника. —1982. 4. - № 5. — с.8-13.

9. Васильев A.A., Костюков С.И., Репухов В.М. Расчёт газопарожидкостной тепловой завесы на адиабатной стенке с помощью ^¿-диаграммы // Пром. Теплотехника. 1983. - 5. - № 2. - с. 17-21.

10. Ю.Васильев A.A., Репухов В.М. Влияние теплофизических свойств вдуваемого двухфазного охладителя на эффективность тепловой завесы на адиабатной стенке // Пром. Теплотехника. 1983. - 5. - № 5. - с.21-28.

11. П.Васильев A.A. Эффективность неравновесной двухфазной тепловой завесы на адиабатной стенке // Пром. Теплотехника. 1984. - 6. - № 3. -с. 17-23.

12. Васильев A.A. Влияние параметров вдуваемого потока на эффективность неравновесной двухфазной тепловой завесы на адиабатной стенке // Процессы переноса теплоты и вещества. Киев: Наук, думка, 1985. — с.84-92.

13. З.Васильев A.A. Тепломассопернос в пограничном слое на проницаемой поверхности при вдуве испаряющейся парожидкостной смеси // Пром. Теплотехника. 1985. - 7. - № 3. - с.12-17.

14. М.Васильев A.A. Эффективность газопарожидкостной завесы за тангенциальной щелью // Пром. Теплотехника. 1988. - 10. - № 4. - с.35-38.

15. Волчков Э.П. Пристенные газовые завесы. — Новосибирск: Наука, 1983. -240с.

16. Волчков Э.П., Лебедев В.П., Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Экспериментальное исследование влияния концентрации мелкодисперсных капель жидкости на эффективность газовой-завесы // Сибирский физико-технический журнал. — 1992. вып.1. - с. 28-32.

17. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1952. - 567с.

18. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. — М.: Высшая школа, 1967. 304с.

19. Деревич И.В., Зайчик ЛИ. Осаждение частиц из турбулентного потока // Изв. АН СССР МЖГ. 1988. - № 5. - с. 96.20.3айдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. Л.: Наука, 1974. — 108 с.

20. Капица П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости // ЖЭТФ. -1948.- 18.-вып. 1. — с. 3-28.

21. Кортиков Н.Н. Расчёт сопротивления и теплоотдачи полуограниченных струй с помощью интегрального соотношения Кармана // ТВТ 1980. - 8. - № 4. - с. 788-794.

22. Кротов C.B., Назаров А.Д., Павленко А.Н., Серов А.Ф., Чехович В.Ю. Емкостной измеритель локальной пленки жидкости // Приборы и техника эксперимента. 1997. - №1. - С.149.

23. Крошилин А.Е., Кухаренко В.Н., Нигматулин Б.И. Осаждение частиц на стенку канала в градиентном турбулентном потоке // Изв. АН СССР, МЖГ.- 1985.-№4.-с. 57.

24. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепловая завеса при турбулентном пограничном слое газа // Теплофизика высоких температур. 1963. - 1. -№2.-с. 281-290.

25. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М: Энергоатомиздат, Издание второе, переработанное, 1985.-320с.

26. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1981.- 176 с.

27. ЗО.Недужко А.И. Защитные свойства газопарожидкостных тепловых завес с фазовыми превращениями // Дис. канд. техн. наук, ИТТФ АН УССР -Киев, 1991.-149с.

28. Осипов М.И., Олесевич А.К., Зарубин В.П. Применение тепломассообменной защиты стенок канала МГД- генератора // Газотурбинные и комбинированные установки: Сб. тр. МВТУ № 393. -М., 1982.-с. 123-132.

29. Рабинович С.Р. Погрешности измерения. М.: Энергия, 1978. - 262 с.

30. Репухов В.М. Тепловая защита стенки вдувом газа. Киев: Наук, думка, 1977, - 252с.

31. Репухов В.М. Тепловая защита стенки вдувом газа. — Киев: Наук, думка, 1980, 296с.~

32. Репухов В.М., Костюков С.И. Эффективность многокомпонентных двухфазных равновесных тепловых завес // Материалы международной школы-семинара, Минск. 1985. - с.98-109.

33. Репухов В.М. Эффективность неравновесной газопарожидкостной тепловой завесы // Пром. Теплотехника. 1986. - 8. - № 6. - с. 11-19.

34. Репухов В.М., Недужко А.И. Влияние неравновесности тепломассопреноса на эффективность газопарожидкостной тепловой завесы // Докл. АН УССР. Сер.А. - 1991. - № 2. - с. 63-66.

35. Репухов В.М., Недужко А.И. Методы расчёта многокомпонентных газопарожидкостных завес // Сб. научн. Тр. Киев: Наук, думка. - 1989. -с. 42-46.

36. Репухов В.М., Недужко А.И. Свойства неравновесной воздушноводяной завесы над адиабатической стенкой // Докл. АН УССР. Сер.А. - 1990. -№9.-с. 78-82.

37. Репухов В.М., Недужко А.И. Тепловая защита стенки вдувом двухфазного охладителя // Докл. АН УССР. Сер.А. - 1988. - № 8. - с. 77-80.

38. Репухов В.М., Недужко А.И. Эффективность газопарожидкостной тепловой завесы за тангенциальной и наклонной щелями // Пром. Теплотехника. 1989. - 11. - № 4. - с. 31-37.

39. Себан Р., Бэк Л. Эффективность защиты и теплоотдача в турбулентном пограничном слое при тангенциальном вдуве и переменной скорости основного потока // Теплопередача. 1962. - 82. - № 3. - с. 50-61.

40. Теория и техника теплофизического эксперимента / Под ред. Щукина В.К. -М.: Энергоатомиздат, 1993.-448 с.

41. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей редакцией В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. -510с.

42. Терехов В.И., Шаров К.А., Лебедев В.П., Шишкин Н.Е. Неизотермическое смешение пристенной газожидкостной струи с потоком в трубе.// Двухфазные течения: Труды II Российской Национальной конференции по теплообмену, М: МЭИ. 1998. - 5. - с. 117-120.

43. Терехов В.И., Шаров К.А., Шишкин Н.Е. Экспериментальное исследование смешения газового потока с пристенной газокапельной струёй.// Теплофизика и аэромеханика. 1999. - №3. — с. 331-341.

44. Терехов В.И., Пахомов М.А., Шаров К.А., Шишкин Н.Е. Исследование газокапельной пристенной завесы в цилиндрическом канале. Физическоеи численное моделирование // Тезисы XXVI Сибирского теплофизического семинара, Новосибирск 2002. - с. 233-234.

45. Терехов В.И., Пахомов М.А. Численное исследование тепловой эффективности двухфазной газокапельной пристенной завесы в цилиндрическом канале // Теплофизика высоких температур. 2002. - 40. - № 4. - с. 633-640.

46. Терехов В.И., Шаров К.А., Шишкин Н.Е.Теплозащитные свойства двухфазных газокапельных завес в вертикальном цилиндрическом канале.// Изв. Акад. Наук, Энергетика. 2003. - № 6. - с. 135-143 ■

47. Тиунов М.А., Фомель Б.М., Яковлев В.П. SAM — интерактивная программа для расчёта электронных пушек на мини — ЭВМ. Препринт 89-159/ СО РАН, ИЯФ. - 1989. - с. 56.

48. Филипс О.М. Динамика верхнего слоя океана / Пер. с английского Д.: Гидрометеоиздат, 1980. - 319 с.

49. Хей, Лампард, Салуджа Влияние охлаждающих завес на коэффициент теплоотдачи на плоской пластине при нулевом градиенте давления во внешнем потоке // Энергетические машины. 1985. - т.107 - №1. — с.90-96.

50. Шаров K.A. Исследование процессов неизотермического смешения в пристенной газожидкостной завесе.// Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики:Труды V Международной конференции молодых учёных, Новосибирск. — 1998. — с. 165-171.

51. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1969. 742 с.

52. Brauner N., Marón D.M. Modeling of wavy flow in inclined thin films // Chemical Engineering Science. 1983. - 38. - № 5. - p. 775-788.

53. Chu K.J., Dukler A.E. Statistical Characteristics of Thin, Wavy Films: Part II. Studies of Substrate and its Wavy Structure // AIChE J. 1974. - 20. - № 4. -p. 695-706.

54. Chu K.J., Dukler A.E. Statistical Characteristics of Thin, Wavy Films: Part III. Structure of the Large Waves and their Resistance to Gas Flow // AIChE J. -1974. 21. - № 3. - p. 583-593.

55. E1-Kassaby M.M., Ganic E.N. Droplet Deposition in Two-Phase, Turbulent Flow // Int. Heat and Mass Transfer. 1986. - 29. - №. 8. - p. 1149.

56. Ganic E.N. Mastanaiah K. Investigation of Droplet Deposition from a Turbulent Gas Stream // Int.J. Multiphase Flow. 1981. - 7. - p. 401.

57. Hicks B.L. The energy spectrum of small wind waves // Univ. Illinois C.S.L. -I960.-Rep. №M-92.

58. Liu H.-T., Lin J.-T. On the spectra of high-frequency wind waves // J. Fluid Mech. 1982. - 123. - p. 165-185.

59. Long S.R., Huang N.E. On the variation and growth of wave-slope spectra in the capillary-gravity range with increasing wind // J. Fluid Mech. — 1976. 77. -p. 209-228.

60. McCoy D.D., Hanratty T.J. Rate of Deposition of Droplets in Annular Two-Phase Flow // Int. J. Multiphase Flow. 1977. - 3. - P. 319.

61. Mitsuyasu H., Honda T. The high-frequency spectrum of wind-generated waves // Rep. Res. Inst. Appl. Mech. 1975. - 22. - p. 327-355.

62. Nusselt W. Die Oberflachenkondensation des Wasserdampfes // Zeitschrift VDI. 1916. - Bd 60. - p. 541-546.

63. Phillips O.M. On the some properties of the spectrum of wind-generated ocean waves // J. Marine Research. 1958. - 16. - p. 231-245.

64. Seban R.A. Heat transfer and effectiveness for a turbulent boundary layer with tangential fluid injection // Trans. ASME. J. Heat Transfer. 1960. - 82. - № 4, -p. 303-312.

65. Talmor E., Weber N. Forein gas film cooling along nonconverging and converging walls at various free-stream turbulence levels. // IV Intern. Heat Transfer Conf., Paris. - 1970. - paper FC - 8.7 - p.p. 1-11.

66. Terekhov V.l., Sharov K.A., Shishkin N.E., Lebedev V.P.Transpiration Cooling of Surface by Nearwall Two-Phase Co-Current Jet.// Proc. Int. Symp. on The Physics of Heat and Mass Transfer in Boiling and Condensation., Moscow. -1997.-p. 387-390

67. Terekhov V.l., Sharov K.A., Shishkin N.E. Effects of Liquid Droplets on Cooling and Structure of Near-Wall Cocurent Jet.// Proc. 2-nd Int. Symp. on Two-Phase Model. Exp., Italy, Pisa. 1999. - 2. - p. 981-986.

68. V.l. Terekhov, K.A. Sharov, A.F. Serov, and A.D. Nazarov Deposition of liquid films from near-wall spray jets in a cylindrical channel.// Proc. 18th Annual Conf. on Liquid Atomization & Spray Syst., 9-12 September, Italy, Zaragosa. -2002.

69. Weighardt K. Über das ausblasen von wamluft für enteisen. Deutsch Luftfahrtforschung, Forschungsbericht, 1943.-N 1900.